Auswertung und experimentelle Absicherung einer Materialcharakterisierungskampagne mit dreidimensional-gewebten CFK-Preforms (Masterarbeit)

Abstract

Gegenstand dieser Masterarbeit ist die experimentelle Untersuchung und Bewertung des Potentials von dreidimensional gewebten Kohlenstofffaserverbunden im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Geweben für Hochleistungsanwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Im Fokus stehen dabei die 3D-Gewebearchitekturen Layerto-Layer (LTL) und Angle Interlock XY (AIXY), die gegenüber einem 2D-TwillGewebe als Referenz analysiert wurden. Der methodische Ansatz der Arbeit umfasst zunächst eine Charakterisierung der Verbundqualität, bei der verfahrenstechnische Unterschiede zwischen der VacuumAssisted (VA) Infiltration und dem Resin Transfer Molding (RTM) mittels Faservolumengehaltsbestimmungen, thermischen Analysen, Differential Scanning Calometry (DSC)) sowie bildgebenden Verfahren wie der Computertomographie (CT) und Schliffbildanalysen untersucht wurden. Im Anschluss wurde eine umfangreiche mechanische Testkampagne durchgeführt, die statische Versuche zur Bestimmung von Zug-, Schub- und interlaminaren Schubeigenschaften sowie dynamische ImpactPrüfungen im Low Velocity Impact (LVI) und High Velocity Impact (HVI) Bereich umfasste. Zusätzlich wurde die Resttragfähigkeit nach Impact mittels Compression After Impact (CAI)-Versuchen ermittelt. Die Ergebnisse belegen die theoretische Überlegenheit der 3D-Gewebe hinsichtlich ihrer Schadenstoleranz, da die Verstärkung in z-Richtung als effektiver Rissstopper fungiert und die Delaminationsneigung signifikant reduziert. Das AIXY-Gewebe erzielte die höchste Energieabsorption und die beste Performance bei ImpactBelastungen, obwohl es aufgrund der hohen Probendicke herstellungsbedingt vermehrt Matrixrisse in harzreichen Zonen aufwies. Beim LTL-Gewebe zeigte sich eine starke Richtungsabhängigkeit. Während in Kettgarnrichtung hohe mechanische Kennwerte erreicht wurden, fiel die Performance in Schussgarnrichtung aufgrund des deutlich geringeren Fadengehalts ab. Insgesamt bieten 3D-Gewebe ein hohes Anwendungspotenzial für strukturelle Bauteile wie Fan-Schaufeln oder Tragflächenvorderkanten, bei denen eine hohe Resistenz gegen Delamination und eine verbesserte Resttragfähigkeit entscheidend für die strukturelle Integrität sind.